雙相不銹鋼的研究進展

秦 琴，李崇瑛，李晟哲，劉俊良

(四川大學(xué)錦城學(xué)院智能制造學(xué)院，成都 611731)

雙相不銹鋼(DSS)是一種擁有優(yōu)秀力學(xué)特性、較好抵抗氯化物腐蝕能力、并在耐腐蝕疲勞方面表現(xiàn)優(yōu)異的一種節(jié)鎳不銹鋼，其廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代結(jié)構(gòu)材料，如化學(xué)品、船、橋梁與混凝土鋼筋、建筑設(shè)施、深海油田、海水淡化、煙氣脫硫(FGD)等方面。

1 雙相不銹鋼研究現(xiàn)狀

雙相不銹鋼由鐵素體/奧氏體相構(gòu)成，其研究熱點是進一步提高雙相不銹鋼在特殊環(huán)境中的耐腐蝕性等。研究發(fā)現(xiàn)，雙相不銹鋼中鐵素體相和奧氏體相及其內(nèi)部的各類析出物質(zhì)對其性能影響較大。張亞男[1]分析了固溶處理溫度與合金元素組成含量對雙相不銹鋼抵抗腐蝕性能的影響，得出抵抗點蝕特性和耐縫隙腐蝕最佳成分配比為Ni-8%、Mo-3%、Cu-4%，最適宜的固溶處理溫度為1 150℃。李艷玲[2]等研究了2205雙相不銹鋼中通過固溶處理工藝改善DSS的耐腐蝕性能，研究表明，固溶處理溫度升高，鋼中鐵素體含量呈上升趨勢，奧氏體含量反而在不斷下降。在pH值不同的溶液中，雙相不銹鋼的耐腐蝕性能也有差別。錢張信[3]等分析了2507雙相不銹鋼中σ相的析出與其力學(xué)性能在時效處理工藝不同時的狀態(tài)，研究發(fā)現(xiàn)，高溫區(qū)域，時效處理溫度下降，σ相的析出量隨之增加，雙相不銹鋼的塑性在下降；中溫區(qū)域，時效溫度不斷升高，雙相不銹鋼中σ相的析出量隨之增加，但析出時間比高溫區(qū)域析出時間長。

2 雙相不銹鋼性能的影響因素

2.1 合金元素

雙相不銹鋼中合金元素有很多，以Cr、Ni、N、Ti等為主要合金元素，分析其對雙相不銹鋼性能的影響。

陳蓉[4]等研究了Cr含量對雙相不銹鋼組織和性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)增加Cr含量，雙相不銹鋼中鐵素體含量會不斷增多，而奧氏體含量削減，隨Cr含量上升，由于點蝕導(dǎo)致雙相不銹鋼質(zhì)量損失現(xiàn)象急劇降低，抵御晶體間腐蝕能力也有所提高。

靳佳瑞[5]等研究了熱輸入對LDX 2304節(jié)鎳型雙相不銹鋼點蝕行為的影響，總結(jié)出Ni元素并未參與釬焊界面處的化學(xué)反應(yīng)，而是與焊料中的Ti元素結(jié)合成合金相，穩(wěn)定兩相平衡。

李明[6]等分析了N元素對雙相不銹鋼組織和結(jié)構(gòu)的影響，研究發(fā)現(xiàn)，帶狀N元素偏聚區(qū)域在雙相不銹鋼管沿裂紋約100 μm寬內(nèi)，以奧氏體單相組織為主，N元素成分伴隨裂紋消失也同步下降，與之相反，鐵素體則不斷提升，因為裂紋處距離較遠的地方是合格的雙相不銹鋼組織。楊吉春[7]等分析發(fā)現(xiàn)，增N降Ni處理后，塑性呈一定的下降趨勢，但影響并不明顯。黃偉林[8]等總結(jié)了N在深冷處理過程中起到穩(wěn)定奧氏體的作用，并通過實驗證明N含量越高，雙相不銹鋼的抗拉強度和延伸率就越大。

曹靜[9]等發(fā)現(xiàn)通過添加微量的Ti合金元素，可以幫助鐵素體在雙向不銹鋼中的形成，并提升其含量，可以抑制富Cr相的產(chǎn)生。顧玥[10]研究發(fā)現(xiàn)，在雙相不銹鋼中加入合金元素Ti，可改變雙相不銹鋼中Cr元素的形成機制，這在很大程度上導(dǎo)致雙相不銹鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)成，進而使其抗腐蝕特性發(fā)生變化。

2.2 σ相的析出

σ相由于含有大量的Cr、Mo，堅硬，易碎，往往產(chǎn)生于α/γ相界，嚴重影響了雙相不銹鋼的韌性和可塑造特性[11-12]。由于含有大量的Cr、Mo，因此在σ相附近會缺少Cr、Mo元素，造成雙相不銹鋼的耐點蝕性能下降[13-14]。李國平[15]等對含W的S32760超級雙相不銹鋼進行不同溫度時效熱處理研究σ相的析出行為，試驗鋼析出大量由Fe、Cr、Mo和W組成的具有正方結(jié)構(gòu)的σ相，同時雙相不銹鋼板強度和硬度高，塑性差，延伸率低于4%。

吳天海[16]研究了雙相不銹鋼采用不同因子工藝處理后的σ相析出情況。不同因子指的是時效溫度及時間。實驗顯示，析出的σ相通常包括兩種形成機理：由奧氏體及鐵素體兩種相界中通過層狀共析現(xiàn)象而產(chǎn)生M23C6碳類物質(zhì)及奧氏體的子相，并在這兩種混合物質(zhì)邊界處產(chǎn)生σ脆性相；與之對應(yīng)的是鐵素體在不受任何其他因子影響下產(chǎn)生共析現(xiàn)象，隨即形成σ脆性相和子相奧氏體。

2.3 變形溫度

梁麗霞等[17]分析了變形溫度對超級雙相不銹鋼S32750性能的影響。結(jié)果表明，在選定的變形量下，隨著溫度增加，鐵素體的量大幅度增加，由于其增加導(dǎo)致的強化能力提升遠遠超過因增加導(dǎo)致的晶粒變大等不利因素，因此表面溫度不斷提升時，試樣的抗拉伸強度亦會逐步增加，伸長率達到峰值32%后開始下降。研究發(fā)現(xiàn)，1 200℃上下為雙相不銹鋼最佳的鑄造工藝溫度，此時雙相不銹鋼的可塑造性能最佳[18-21]。

2.4 冷卻速率

何紅等[22]研究了冷卻速率對一種建筑用材雙相不銹鋼構(gòu)成和特性可能產(chǎn)生的影響。實驗結(jié)果顯示，冷卻速率不會對其強度產(chǎn)生過多影響，但是冷卻速率越快，開裂傾向越大；如果冷卻速率越慢，雙相不銹鋼中越易析出σ相，塑性和韌性會明顯下降。只有適當(dāng)降低冷卻速率或提高終冷溫度才能改善淬火應(yīng)力，提升雙相不銹鋼的綜合性能。

2.5 固溶處理

固溶處理可以調(diào)整鐵素體相和奧氏體相比例，影響雙相不銹鋼的性能，但是固溶溫度是關(guān)鍵。王小勇等[23]研究了固溶溫度對雙相不銹鋼性能的影響，實驗表明，固溶溫度較低時，雙相不銹鋼中更易產(chǎn)生σ相，使其抗塑特性和抗腐蝕性能大幅下降；固溶溫度較高時，可減少σ脆性相的析出，改善雙相不銹鋼的塑性和耐蝕性。

2.6 熱處理工藝

研究發(fā)現(xiàn)，不同熱處理工藝下，雙相不銹鋼的鐵素體相與奧氏體相比例差異很大，耐蝕性能也有很大差別。安笑頻[24]等發(fā)現(xiàn)當(dāng)雙相不銹鋼發(fā)生熱變形時，變形溫度和應(yīng)變速率是影響雙相鋼中兩相所占比例的關(guān)鍵，同時影響其熱變形過程中的軟化機制，使其產(chǎn)生穩(wěn)定的塑性變形。盧盼盼[25]等提出850℃、4 h時效處理后的σ脆性相析出形貌，揭示出σ脆性相的形成機理、析出特征和時效處理對4A雙相不銹鋼力學(xué)性能與耐腐蝕性能的影響。實驗結(jié)果表明，高溫狀態(tài)下，鐵素體會分解產(chǎn)生富含Cr、Mo而貧Ni的σ脆性相，其結(jié)構(gòu)為空間四方結(jié)構(gòu)，硬而脆。隨著時效溫度的升高，σ相的析出量先增加后減小并在850℃時達至峰值；如果在同一溫度條件下時效處理時間越長，σ脆性相析出則越多。σ相使雙相不銹鋼硬度有輕微提高，材料的沖擊韌性、抗拉強度和耐腐蝕性整體呈下降趨勢，其中沖擊韌性對σ脆性相析出尤為敏感，所以采取合理的加熱處理能夠保證雙相不銹鋼特性更明顯。

3 結(jié)語

很多外界條件都會影響雙相不銹鋼特性，適量其他金屬元素的添加和適當(dāng)熱處理工藝會優(yōu)化雙相不銹鋼性能。其中，Cr、Ti可提高雙相不銹鋼的耐蝕性和屈服強度；Ni可穩(wěn)定雙相不銹鋼的兩相比例；N可提高雙相不銹鋼的抗拉強度和延伸率；σ析出相可提高其抗沖擊性能和可再塑性能，適當(dāng)加熱操作可使雙相不銹鋼的兩相比例均勻，耐蝕性能有所提高。